كتاب "واقع غير واقعي. السفر في حلقة الكم »

مرحبا ، habrozhiteli! ما هو الزمان والمكان؟ من أين تأتي المادة؟ ما هي الحقيقة؟
المفارقة الرئيسية في العلوم هي أنه من خلال الكشف إلينا عن معرفة قوية وموثوقة بالطبيعة ، فإنها في الوقت نفسه تغير بسرعة أفكارها التي تم إنشاؤها حول الواقع. ينعكس هذا التناقض على أفضل وجه في كتاب كارلو روفيلي ، الذي يكرس لمشكلة الفيزياء الأساسية الحديثة الأكثر حدة - البحث عن نظرية الكم للجاذبية. لقد سمع الكثيرون عن هذا الاسم في سلسلة "The Big Bang Theory" ، ولكن لم يكن هناك مكان تقريبًا لاكتشاف معنى جاذبية الحلقة. وفي الوقت نفسه ، تعتبر هذه النظرية واحدة من أهم اللاعبين في طليعة الفيزياء الأساسية "، كما قال ألكساندر سيرجيف ، المؤسس المشارك ، ومؤلف المهام وزافلاب من مشروع المختبر المفتوح.

مقتطفات. الوقت ليس ما نفكر فيه

حقيقة أن طبيعة الوقت تختلف عن الأفكار المقبولة عمومًا التي لدينا جميعًا ، فقد أصبح واضحًا منذ أكثر من قرن مضى. جعلت نظريات خاصة وعامة من هذا واضح. اليوم ، يمكن بسهولة إظهار عدم كفاية مفاهيمنا اليومية عن الوقت في المختبر.

تأمل ، على سبيل المثال ، أول نتيجة طبيعية للنظرية العامة للنسبية الموصوفة في الفصل 3. خذ ساعتين ، وتأكد من أنها تظهر في الوقت نفسه تمامًا ، ووضع بعضها على الأرض ، والبعض الآخر على الطاولة. سوف ننتظر نصف ساعة ونضعها بجانبهم مرة أخرى. هل سيظلون يظهرون في نفس الوقت؟

كما هو مذكور في الفصل 3 ، سيكون الجواب لا. لا تتمتع الساعات العادية أو الساعات المدمجة في هاتف محمول بالدقة اللازمة للتحقق من هذه الحقيقة. ومع ذلك ، فإن المختبرات الفيزيائية في جميع أنحاء العالم لديها ساعات تتميز بالدقة التي يمكنها إظهار التباين: الساعة المتبقية على الأرض أبطأ من الساعة نفسها أعلاه.

لماذا؟ لأن الوقت لا يتدفق بالتساوي في كل مكان في العالم. في بعض الأماكن ، يكون التدفق أسرع ، في أماكن أخرى - أبطأ. أقرب إلى الأرض ، حيث الجاذبية [إمكانات الجاذبية - إد .] أقوى ، كلما كان الوقت أبطأ. تذكر التوأم من الفصل 3 ، الذي بدأ سنه تختلف نتيجة لحقيقة أن واحدا يعيش عن طريق البحر والآخر في الجبال؟ هذا التأثير لا يكاد يذكر - كسب الوقت الذي اكتسبه أحد سكان الساحل طوال حياته بالمقارنة مع متسلق الجبال هو جزء بسيط من ثانية ، ولكن هذه القيمة الصغيرة لا تغير حقيقة أن هذا فرق حقيقي. الوقت لا يتصرف بالطريقة التي اعتدنا على تخيلها.

لا ينبغي لنا أن نفكر في الوقت كما لو كانت هناك ساعات كونية عظيمة تقيس حياة الكون. لأكثر من 100 عام ، نعلم أن الوقت يجب اعتباره ظاهرة محلية: فكل كائن في الكون لديه وقته الخاص ، والذي يتم تحديد وتيرته بواسطة مجال الجاذبية المحلي.

لكن حتى فكرة التوقيت المحلي تتوقف عن العمل عندما نأخذ في الاعتبار الطبيعة الكمية لحقل الجاذبية. لم تعد الأحداث الكمية على مقياس بلانك مرتبة بمرور الوقت. الوقت ، بمعنى ما ، لم يعد له وجود.

ماذا تعني الكلمات أن الوقت غير موجود؟

بادئ ذي بدء ، لا يعني عدم وجود متغير مؤقت في المعادلات الأساسية أن كل شيء يصبح بلا حراك وأن أي تغييرات تتوقف عن الحدوث. على العكس ، هذا يعني أن التغيير موجود في كل مكان. هذا مجرد عمليات أولية لا يمكن طلبها على طول التسلسل المعتاد للحظات. على نطاق صغير للغاية ، يتوافق مع كمية الفضاء ، فإن رقصة الطبيعة لا تطيع الإيقاع الذي وضعته عصا موصل واحدة للأوركسترا بأكملها: كل عملية ترقص بشكل مستقل عن جيرانها ، بعد إيقاعها الخاص. إن مرور الزمن هو خاصية داخلية للعالم ، فهو يولد من قبل العالم نفسه من العلاقات بين الأحداث الكمومية ، التي هي العالم والتي تولد وقتها بنفسها.

في الواقع ، عدم وجود الوقت لا يعني أي شيء معقد للغاية. دعنا نحاول فهم هذا.

نبض وثريا مع الشموع

يتم تضمين الوقت في معظم معادلات الفيزياء الكلاسيكية. هذا متغير يشار إليه بالحرف t . أخبرنا المعادلات كيف تتغير الأشياء بمرور الوقت . إذا علمنا بما حدث في الماضي ، فإنهم يسمحون لنا بالتنبؤ بالمستقبل. بتعبير أدق ، نقيس كميات معينة ، على سبيل المثال ، الموضع A للكائن ، والزاوية B لانحراف البندول ، ودرجة الحرارة C للكائن ، والمعادلات المادية توضح كيف ستتغير هذه الكميات في الوقت المناسب. وهي تتنبأ بالوظائف A (t) ، B (t) ، C (t) ، إلخ ، التي تصف التغييرات في هذه الكميات بمرور الوقت t.

كان غاليليو أول من يفهم أن حركة الأجسام على الأرض يمكن وصفها بواسطة المعادلات على أنها وظائف الوقت A (t) ، B (t) ، C (t) ، وأول من يكتب صيغ لهذه المعادلات في شكل واضح. على سبيل المثال ، وصف القانون الأول للفيزياء الأرضية ، الذي وجده غاليليو ، سقوط جسم ما ، بمعنى آخر ، أظهر كيف يتغير ارتفاعه x مع مرور الوقت t [ - إد .]

لاكتشاف هذا القانون والتحقق منه ، احتاج غاليليو إلى نوعين من القياسات. وقاس ارتفاع × الموضوع والوقت ر . لذلك ، كان بحاجة إلى أداة لقياس الوقت - على مدار الساعة.

لم يكن هناك مراقبة دقيقة في وقت غاليليو. وجد جاليليو نفسه ، في شبابه ، طريقة لصنع الكرونومتر بدقة. وجد أن اهتزازات البندول لها دائمًا نفس المدة (بغض النظر عن السعة). لذلك ، يمكنك قياس الوقت ببساطة عن طريق حساب أرجوحة البندول. تبدو هذه الفكرة واضحة للغاية ، لكن جاليليو فقط لفت الانتباه إليها ، قبل أن تحدث إلى أي شخص. هذا غالبا ما يحدث في العلوم.

ولكن في الواقع ، كل شيء ليس بهذه البساطة.

وفقًا للأسطورة ، أضاءت هذه الفكرة جاليليو في كاتدرائية بيزا المهيبة ، حيث شاهد التقلبات البطيئة للثريا العملاقة مع الشموع. (الأسطورة غير صحيحة ، لأن الثريا هزت هناك لأول مرة بعد سنوات عديدة من وفاة غاليليو ، ولكن القصة لا تزال جيدة. ومن الممكن أن يكون هناك شيء آخر علق في الكاتدرائية في تلك الأيام.) لاحظ العالم هذه التقلبات أثناء الخدمة الدينية الذي من الواضح أنه لم يستوعبه بشكل خاص ، وقاس مدة كل تأرجح للثريا ، مع حساب ضربات نبضه. مع الإثارة المتزايدة ، وجد أن عدد السكتات الدماغية هو نفسه في كل أرجوحة - لم يتغير عندما تباطأت الثريا وتتأرجح بسعة ضئيلة. كان كل الاهتزازات نفس المدة.

تبدو هذه القصة رائعة ، لكن إذا فكرت فيها ، فإنها تسبب حيرة ، وهذا الحير يقودنا إلى جوهر مشكلة الزمن. كيف عرف غاليليو أن دقات نبضه تحدث في فترات زمنية متساوية [خاصة عندما بدأ يقلق ... - محرر ]؟

بعد فترة وجيزة من جاليليو ، بدأ الأطباء في قياس نبض مرضاهم باستخدام ساعة ، والتي في النهاية لم تكن أكثر من بندول. اتضح أننا استخدمنا النبض للتأكد من أن البندول يتأرجح بانتظام ، ثم فحصنا ثبات النبضة بمساعدة البندول. لا تظن أن هناك حلقة مفرغة هنا؟ ماذا يعني ذلك؟

في الواقع ، لا نقوم أبدًا بقياس الوقت من تلقاء نفسه ، فنحن دائمًا نقيس الكميات المادية A ، B ، C ... (الاهتزازات ، النبض ، والعديد من الأشياء الأخرى) ونقارن كمية واحدة مع أخرى ، بمعنى آخر ، نقيس الدوال A (B) ) ، B (C) ، C (A) ، وما إلى ذلك. يمكننا حساب عدد نبضات النبض في كل تذبذب ، وعدد التذبذبات التي تحدث في كل علامة من علامات ساعة التوقيت ، وعدد علامات التجزئة لساعة التوقيت بين دقات الساعة البرجية ...

خلاصة القول هي أنه من المريح بالنسبة لنا أن نتخيل أن هناك كمية t - "الوقت الحقيقي" - التي تقوم عليها كل حركة ، حتى لو كان لا يمكن قياسها مباشرة. نكتب المعادلات للمتغيرات المادية فيما يتعلق بهذه المعادلات t التي لا يمكن ملاحظتها والتي تخبرنا كيف تتغير الأمور باستخدام t : على سبيل المثال ، كم من الوقت يستغرق كل تذبذب ومدة نبضات القلب. من هنا يمكننا استنتاج كيف تتغير الكميات بالنسبة لبعضها البعض - كم عدد نبضات النبض لكل ذبذبة واحدة - ومقارنة هذه التنبؤات بما نلاحظه في العالم. إذا اتضح أن هذه التنبؤات صحيحة ، فإننا نعتقد أن مخططنا المعقد صحيح ، ولا سيما فائدة المتغير الزمني t ، حتى إذا كان لا يمكن قياسه مباشرة.

بمعنى آخر ، وجود متغير زمني هو افتراض مناسب ، وليس نتيجة للملاحظات.

أول من فهم كل هذا كان نيوتن: لقد خمن أنه كان منهجًا فعالًا ، ووضح هذا المخطط وطوره. كتب نيوتن علانية في كتابه أنه من المستحيل قياس الوقت الحقيقي t ، ولكن بافتراض وجوده ، يتم الحصول على بنية فعالة لوصف الطبيعة.

بعد توضيح هذه النقطة ، يمكننا العودة إلى الجاذبية الكمية وإلى معنى العبارة التي تقول "الوقت غير موجود". هذا يعني ببساطة أن المخطط النيوتوني يتوقف عن العمل عندما نتعامل مع أشياء صغيرة جدًا. كانت جيدة ، ولكن فقط للأشياء الكبيرة.

إذا كنا نرغب في الحصول على فهم عميق للعالم ، وإذا أردنا أن نفهم كيف يعمل في مواقف أقل دراية بنا ، حيث تصبح الجاذبية الكمية مهمة ، فسيتعين علينا التخلي عن هذا المخطط. فكرة الوقت t ، التي تتدفق من تلقاء نفسها وفيما يتعلق الأشياء التي تتطور ، لم تعد مفيدة. لم يتم وصف العالم بمعادلات التطور في الزمن t . نحتاج فقط إلى سرد المتغيرات A ، B ، C ، ... التي نلاحظها بالفعل ، وكتابة المعادلات التي تعبر عن العلاقات بين هذه المتغيرات وليس أكثر من ذلك: أي معادلات العلاقات A (B) ، B (C) ، C ( A) ، ... التي نلاحظها ، وليس للوظائف A (t) ، B (t) ، C (t) ، ... التي لا نلاحظها.

في المثال مع نبض وثريا ، بدلاً من نبض وتقلبات الثريا التي تحدث بمرور الوقت ، سيكون لدينا فقط معادلات تصف كيف تتغير الكميتان المقابلتان بالنسبة لبعضهما البعض ، أي معادلة تخبرنا مباشرة بعدد نبضات القلب أرجوحة الثريا دون ذكر ر .

"الفيزياء بلا وقت" هي فيزياء نتحدث فيها فقط عن النبضة والثريا ، ناهيك عن الوقت.

هذا تغيير بسيط ، لكنه قفزة هائلة من وجهة نظر مفاهيمية. يجب أن نتعلم أن نفكر في العالم ليس كشيء يتغير مع مرور الوقت ، ولكن بطريقة أخرى. تتغير الأشياء فقط فيما يتعلق ببعضها البعض. في المستوى الأساسي ، الوقت غير موجود. إحساسنا اليومي بمرور الوقت هو مجرد تقريب صحيح بالنسبة لمقاييس المجهر لدينا. إنه ينشأ بسبب حقيقة أننا ننظر إلى العالم بشكل خشن شديد الحبيبات.

وهكذا ، فإن العالم الذي وصفته هذه النظرية بعيد جدًا عن ما اعتدنا عليه. لم يعد هناك مساحة يشتمل عليها العالم ، ولا يوجد وقت لوقوع الأحداث. هناك عمليات أولية يتفاعل فيها مقدار المساحة والمادة باستمرار مع بعضهما البعض. يمكن مقارنة هذه الصورة حول العالم ببحيرة جبال الألب النظيفة والهادئة ، والتي تتكون من عدد لا يحصى من جزيئات الماء الصغيرة التي ترقص بسرعة. الوهم بأننا محاطون بالفضاء والوقت المستمر هو نتيجة النظر من بعيد إلى سرب كثيف من العمليات الأولية.

من المؤلف

طوال مسيرتي العلمية ، طلب مني الأصدقاء والفضولون فقط أن أشرح ما يحدث في مجال أبحاث الجاذبية الكمية. كيف يمكنك أن تجد طرقًا جديدة لفهم المكان والزمان؟ لقد طُلب مني مراراً أن أخبرني عن هذه الدراسات بشكل يسهل الوصول إليه على الرغم من وجود العديد من الكتب حول علم الكونيات ونظرية الأوتار ، إلا أنه من شبه المستحيل العثور على الكتب التي تصف الدراسات حول الطبيعة الكمومية للزمان والمكان ، وكذلك عن الجاذبية الكمومية للحلقة. لقد ترددت لفترة طويلة لأنني أردت التركيز على البحث. منذ عدة سنوات ، أكملت دراسة حول هذا الموضوع ، شعرت أن العمل الجماعي للعديد من العلماء قد أوصل هذا المجال من البحث إلى مرحلة النضج عندما أصبح من الممكن كتابة كتاب علمي شعبي. المناظر الطبيعية التي نستكشفها مذهلة - هل يستحق الأمر أن نستمر في إخفاءها عن الآخرين؟

لكنني واصلت تأجيل المشروع ، لأنني لم أتمكن من "رؤية" الكتاب في رأسي. كيف تصف عالما بدون فراغ ووقت؟ في عام 2012 ، أثناء جلوسي وحدي على عجلة القيادة في طريق ليلي من إيطاليا إلى فرنسا ، أدركت فجأة أن الطريقة الوحيدة لشرح التعديل المستمر لمفاهيم الفضاء والوقت هي سرد ​​القصة كاملة من البداية: من أفكار Democritus إلى العرض التقديمي حول كوانتا الفضاء. في النهاية ، هكذا فهمت نفسي هذه القصة. بدأت في رسم هيكل الكتاب عقلياً خلف عجلة القيادة ، وأصبح متحمسًا أكثر فأكثر ، حتى سمعت صفارات الإنذار بالشرطة والمطالبة بالتوقف - لقد تجاوزت السرعة المسموح بها. سألني الشرطي الإيطالي بأدب إن كنت قد فقدت عقلي للقيادة بهذه السرعة. أجبت أنني قد وجدت للتو فكرة أنني كنت أبحث عنها لفترة طويلة ؛ لم يكتب لي غرامة وتمنى لي التوفيق في الكتاب الجديد. هذا الكتاب أمامك.

تم كتابة الكتاب في الأصل باللغة الإيطالية ونشر لأول مرة في عام 2014. بعد فترة وجيزة ، قمت بإعداد العديد من المقالات حول الفيزياء الأساسية لصحيفة إيطالية. طلب مني الناشر الإيطالي الشهير أدلفي إصدارًا موسعًا من هذه المقالات ، والتي صدرت في شكل كتيب. لذلك ظهر كتاب صغير بعنوان "سبع محاضرات قصيرة حول الفيزياء" ، والتي كانت مفاجأة كبيرة لي أنها من أكثر الكتب مبيعًا عالميًا وأصبحت مناسبة للتواصل مع العديد من القراء الرائعين حول العالم. وهكذا ، تمت كتابة "المحاضرات السبعة" بعد هذا الكتاب ، وأصبحت ، إلى حد ما ، توليفة لبعض القضايا التي تمت معالجتها هنا. إذا كنت قد قرأت بالفعل "سبع محاضرات قصيرة حول الفيزياء" وترغب في معرفة المزيد من أجل الانغماس في العالم الغريب الموصوف في هذا الكتاب ، ستجد هنا التفاصيل الضرورية.

على الرغم من حقيقة أن الفيزياء التقليدية معروضة في هذا الكتاب من وجهة نظر غير عادية إلى حد ما ، إلا أن هذا لا يسبب الجدل بشكل عام. ومع ذلك ، فإن هذا الجزء من الكتاب ، الذي يتناول الأبحاث الحديثة عن الجاذبية الكمية ، يعكس فهمي الشخصي لحالة المعرفة بهذا الموضوع. يقع مجال المعرفة هذا على الحدود بين ما نفهمه وما لا نزال لا نفهمه ، لذلك لا نزال بعيدين عن الوصول إلى توافق في الآراء بشأن القضايا الرئيسية المتعلقة به. سيتفق بعض زملائي الفيزيائيين مع ما كتبته في هذا الكتاب ، بينما لا يوافق آخرون. هذا وضع شائع للبحث الحالي الذي يتم على حدود معرفتنا ، لكنني أفضل التحدث عنه بوضوح وصراحة. هذا الكتاب لا يدور حول ما نحن متأكدون منه ؛ هذا الكتاب يدور حول مغامرات على الطريق إلى المجهول.

بشكل عام ، يتعلق الأمر برحلة مخصصة لإحدى أكثر المغامرات إثارة للإعجاب التي حلت بالبشرية: رحلة تتجاوز حدود وجهات النظر الواقعية الضيقة لفهم أعمق لبنية الأشياء. وهذه الرحلة المذهلة وراء الصورة العادية للعالم لم تنته بعد.

»يمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات حول الكتاب على موقع الناشر
» المحتويات
» مقتطفات

ل habrozhitelami خصم 20 ٪ على القسيمة - الواقع

عند دفع النسخة الورقية من الكتاب ، يتم إرسال كتاب إلكتروني عبر البريد الإلكتروني.